开题报告-适用于恶劣环境的光纤光栅动态解调系统研制

1、天 津 师 范 大 学大学生创新创业训练计划项目开题报告 项目名称：适用于恶劣环境的光纤光栅动态解调系统研制 项目负责人姓名：运营 负责人所在学院：电子与通信工程学院项目负责人学号：1230060200项目负责人专业： 电子信息科学与技术专业项目负责人年级： 2012级指导教师： 王为 撰写日期：2014年5月11日目录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc356653585 一、选题缘由 PAGEREF _Toc356653585 h 1 HYPERLINK l _Toc356653586 二、研究目的和意义 PAGEREF _Toc356653586 h 1 H

2、YPERLINK l _Toc356653587 （一）项目研究的目的： PAGEREF _Toc356653587 h 1 HYPERLINK l _Toc356653588 （二）项目研究的意义： PAGEREF _Toc356653588 h 1 HYPERLINK l _Toc356653589 三、国内外研究现状综述 PAGEREF _Toc356653589 h 2 HYPERLINK l _Toc356653590 四、研究的理论基础 PAGEREF _Toc356653590 h 5 HYPERLINK l _Toc356653591 五、研究的主要内容、方法、步骤 PAGER

3、EF _Toc356653591 h 5 HYPERLINK l _Toc356653592 （一）研究内容 PAGEREF _Toc356653592 h 5 HYPERLINK l _Toc356653593 （二）研究方法和研究对象 PAGEREF _Toc356653593 h 5 HYPERLINK l _Toc356653594 （三）研究进度安排 PAGEREF _Toc356653594 h 5 HYPERLINK l _Toc356653595 （四）经费使用计划 PAGEREF _Toc356653595 h 5 HYPERLINK l _Toc356653596 六、研究

4、条件和现存问题 PAGEREF _Toc356653596 h 5 HYPERLINK l _Toc356653597 （一）研究条件 PAGEREF _Toc356653597 h 5 HYPERLINK l _Toc356653598 （二）现存问题 PAGEREF _Toc356653598 h 5 HYPERLINK l _Toc356653599 七、研究成果的表现形式 PAGEREF _Toc356653599 h 5 HYPERLINK l _Toc356653600 参考文献 PAGEREF _Toc356653600 h 5一、选题缘由由于光纤光栅是波长型传感器，其波长变化量

5、与应变或温度成线性关系。为了实现物理量的测量，需要解调出光纤光栅Bragg波长，即波长解调方法是光纤光栅传感器实用化的核心技术之一。目前实验室常用光谱仪或单色仪对光纤光栅进行波长解调，该方法特点是解调精度高，分辨率能达1pm以下，但是仪器成本高，体积大不适合工程现场使用。所以，我们会采用干涉法和滤波法更好地将光纤光栅从其系统当中解调出来。二、研究目的和意义（一）项目研究的目的：鉴于目前光纤光栅主要有以下问题：(1)仪器均需配备外接电源；(2)价格昂贵；(3)属于民用级，抗恶劣环境性能差；(4)数据传输不方便。这些不足使得目前在恶劣环境、野外坏境下使用光纤光栅测量系统带来了不便。本项目将研究能自

6、给供电和远程数据传输的光纤光栅动态解调系统，使之适用于野外恶劣环境工作，为各种结构健康监测提供新的技术基础。（二）项目研究的意义：由于现在的光纤光栅解调系统大都是无法进行远距离的传输功能，并且许多仪器均需配备外接电源，会给大家在日常生活中带来不便，所以该项目针对目前光纤光栅解调系统中的不足，提出了一种带有自给电源和远距离数据传输功能的光纤光栅动态解调系统，具有重要的研究意义和实用价值。三、国内外研究现状综述光纤光栅（Fiber optic grating）是通过改变光纤纤芯折射率进而在纤芯内形成空间相位光栅的一种有效的光无源传感和通信器件。它具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不

7、敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、 带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性。因此，各种光纤光栅传感器，如应变传感器、温度传感器、位移传感器、压力传感器、电流传感器、加速度传感器等，相继问世，引发了传感领域的一股热潮，赢得了人们的青睐。光纤光栅传感器作为新型光纤传感器，除具有重量轻，抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等光纤传感器的特点外，还具有许多独特的优点：可以实现绝对测量、具有更强的抗干扰抗腐蚀能力、易于组建各种形式的传感网络、测量结果具有良好的重复性和稳定性等。鉴于光纤光栅良好的应变传感性能和优良的抗电磁干扰、抗腐蚀能力及体积小等优点，使得光纤光栅广泛

8、的应用于桥梁、飞行器、海洋结构等结构健康监测领域具有十分广泛的应用前景。光纤光栅是波长型传感器，其波长变化量与应变或温度成线性关系。为了实现物理量的测量，需要解调出光纤光栅Bragg波长，即波长解调方法是光纤光栅传感器实用化的核心技术之一。目前实验室常用光谱仪或单色仪对光纤光栅进行波长解调，该方法特点是解调精度高，分辨率能达1pm以下，但是仪器成本高，体积大不适合工程现场使用。迄今为止，针对光纤光栅波长解调技术，研究人员提出了许多方法，其中主要基于两种技术：干涉法和滤波法。干涉法是利用光波的相干性，将光纤光栅的波长信息编码转换成相位编码，这种方法具有很高的精度和分辨率，特别适合高分辨率信号的检

9、测。滤波法是指采用各种光滤波器，使指定波段的信号通过，而抑制其余波段的信号，以达到解调的目的。表1对目前常见的光纤光栅波长解调技术进行了总结，并描述了各自特点。目前国外国内有数家公司已有光纤光栅解调仪产品，如美国Micro-optic公司的Sm125、Sm130；英国Smartfiber公司的Smart Scan；国内如品傲光电、宁波杉工等均有自己的产品。但是这些产品目前主要有以下问题：(1)仪器均需配备外接电源；(2)价格昂贵；(3)属于民用级，抗恶劣环境性能差；(4)数据传输不方便。这些不足使得目前在恶劣环境、野外坏境下使用光纤光栅测量系统带来了不便。本项目将针对这些问题，研究一套适用于野

10、外恶劣环境具有自给电源与无线数据传输功能的光纤光栅动态解调系统。表1：光纤光栅波长解调技术总结类型解调技术特 点滤波法被动式波长比率法结构简单，抑制了光源的强度噪声，但静态应变分辨率为375，分辨率不高，同时动态性能不好，测量频率不能超过100Hz；声光可调谐滤波器法有极高的温度灵敏度，但是声光可调谐滤波器是偏振相关器件，入射光的偏振态对测量影响较大；匹配光纤光栅滤波法该方法分为反射式匹配滤波法和透射式匹配滤波法，结构简单，成本低，实现简单；但实现测量的量程较小；可调谐Fabry-Perot(F-P)滤波器法该方法是目前最为广泛使用的光纤光栅解调技术，解调波谱范围宽，解调精度可达1pm，对光源

11、稳定性要求低，体积小，便于工程实用；波长扫描极值法该方法用可调谐光纤光栅环形腔激光器作为扫描光源，对光栅波长进行扫描；方法简单，但扫描光源价格较高；干涉法非平衡Mach-Zehnder干涉法该方法具有宽带宽、高解析度等特点，但只能用于动态应变测量，且测量范围有限，会出现绝对波长测量的损耗；经改进后可实现以下的准静态应变测量；非平衡Michelson干涉法该方法适合静态应变的测量，检测灵敏度高，但由于干涉仪容易受到外界环境干扰，影响测量的信噪比；Sagnac干涉法该方法具有高检测灵敏度，同时由于干涉仪输出与光纤长度无关，具有很高的稳定性；其他方法傅立叶变换谱法该方法可以直接获得光纤光栅反射谱，精

12、度高；但是由于光学器件存在，不易实用；CCD分光计法该方法光能利用率高，响应速度快，抗干扰能力强，直接实现光纤光栅传感复用解调；但波长分辨率低。四、研究的理论基础(1) 基于F-P滤波器的光纤光栅动态解调系统设计基于F-P滤波器的光纤光栅解调系统是目前技术最为成熟、稳定性最好的波长探测技术，其原理如图1所示，宽带光源通过耦合器后进入光纤光栅传感器阵列，反射光进入F-P滤波器。同时滤波器由扫描电压驱动进行全波段扫描，并与输入的光纤光栅窄带反射光进行卷积，输出光由光电探测系统进行转换。通过对比光电转换信号与周期扫描电压进而确定光纤光栅传感阵列中心波长，实现系统解调。本部分将选用micro-opti

13、cs公司的Fiber Fabry-Perot Tunable Filter(如图2所示)，主要解决F-P驱动电路以及中心波长获取算法设计，以实现高精度高稳定性的光纤光栅波长解调。（2）自给供电系统与远程无线数据传输系统设计本部分研究解调系统的自给供电部分和无线数据传输部分。一方面主要根据解调系统的功率参数研究合适的电池系统，同时兼顾解调仪的体积与重量。另一方面主要根据数据传输需要，选择合适的无线传输技术，并提供接入Internet网络接口，使得随时随地能进行数据接收进而实现结构状态的分析处理，其系统结构图如图3所示。五、研究的主要内容、方法、步骤（一）研究内容 本项目将研究具有自给电源和远程数

14、据传输功能的光纤光栅动态解调系统，具体研究内容包括：(1)光纤光栅动态解调系统设计本项目将采样目前较为成熟的F-P滤波法进行解调系统的设计，完成系统光路和电路设计、以及中心波长提取算法，实现光纤光栅动态解调。(2)自给供电系统与远程无线数据传输系统设计本项目将采用电池供电模式，结合Internet网络接入的无线数据传输系统，实现适用于野外远距离监测的光纤光栅解调系统设计。（二）研究方法和研究对象 (1)光纤光栅动态解调系统设计由于一般结构健康监测主要通过长期实时监测结构关键部位的应力应变载荷，例如常见的桥梁、公路、铁轨、海洋结构、飞行器、大坝等，通过监测关键部位的应力应变变化能分析结构的状态，

15、以便于及早的发现损失，减小损失。通常这些载荷变化属于动态信号，频率在1KHz以内。本项目将采样目前较为成熟的F-P滤波法进行解调系统的设计，完成系统光路和电路设计、以及中心波长提取算法，实现光纤光栅动态解调。(2)自给供电系统与远程无线数据传输系统设计目前解调系统通常需要外接电源，自带数据存储和处理单元或者通过线缆连接到PC机进行处理。这一方面不利于解调仪器的野外使用，另一方面不适于对长距离监测如铁轨、管道等监测领域。本项目将采用电池供电模式，结合Internet网络接入的无线数据传输系统，实现适用于野外远距离监测的光纤光栅解调系统设计。（三）研究进度安排本项目预期一年完成，具体进度安排如下:

16、2014.01-2014.02：光纤光栅解调技术、现有解调系统调研，确定光纤光栅动态解调系统设计方案；2014.03-2014.06：完成光纤光栅动态解调系统设计和实验调试；2014.07-2014.08：完成光纤光栅解调系统自给电源系统设计；2014.09-2014.11：完成光纤光栅解调系统远距离数据传输系统设计；2014.12-2015.01：进行系统连调，并撰写结题报告。六、研究条件和现存问题（一）研究条件 本项目的指导教师在该领域已有多年研究，在光纤光栅的动静态解调、恶劣环境结构健康监测等领域均有所成果，这些均为本项目的顺利实施奠定了基础。同时本项目组成员已学完电子基础等课程，在后续

17、的解调系统设计上有了理论知识储备。（二）现存问题目前实验室已有Micro-optics公司Sm-125解调系统一套，宽带光源一台，这些均为项目中解调系统的调试和标定提供了基础。但本项目需要设计的解调系统各个器件均需购买，成本较为昂贵，本项目指导教师准备自筹一定资金用于本项目的研究开发。七、研究成果的表现形式本项目预期完成如下成果：(1)完成适用于恶劣环境下光纤光栅动态解调系统设计报告一份；(2)设计解调系统设备一套；(3)以第一作者发表EI检索论文1篇。参考文献1 Melle S M, Liu K, Measure R M. A passive wavelength demodulation

18、system for guided-wave Bragg grating sensorsJ. IEEE Photonics Technology Letters,1992:5165182 Xu M G, Geiger H, Archambault J L, et al. Novel interrogating system for fiber Bragg grating sensors using an acousto-optic tunable filterJ. Electron. Lett.,1993,29(17):151015113 Geiger H, Xu M G, Eaton J P

19、, et al. Electronic tracking system for multiplexed fiber grating sensorsJ. Elecron. Lette.,1995,32:100610074 Ferreira L A, Santos J L, Farahi F. Pseudoheterodyne demodulation technique for fiber Bragg grating sensors using two matched gratingsJ. IEEE Photonics Technology Letters,1997,9:4874895 Davi

20、s M A, Kersey A D. Matched-filter interrogation technique for fiber Bragg grating arraysJ. Electron. Lett.,1995,31:8228236 Kersey A D, Berkoff T A, Morey W W. Multiplexed fiber Bragg grating strain sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filterJ. Opt. Lett.,1993,18(16):137013727 Vohra S T,

21、 Todd M D. Johnson G A, et al. Fiber Bragg grating sensor system for civil structure monitoring: applications and field testsC. Proc. SPIE, 1999,3746:32378 Henderson P J, Webb D J, Jackson D A, et al. Highly-multiplexed grating sensors for temperature-referenced quasi-static measurements of strain i

22、n concrete bridgesC. Proc. SPIE, 1999,3746:3203239 张颖，刘云启，刘志国等.波长扫描极值解调法实现光纤光栅应变和温度传感的测量J.光子学报，1999，28：97998210 Kersey A D, Berkoff T A, Morey W W. High-resolution fiber-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detectionJ. Electron. Lett.,1992,28(3):23623811 Kersey A D, Berk

23、off T A. Fiber-optic Bragg grating differential-temperature sensorJ. IEEE Photon. Technol. Lett., 1992, 4(10):1183118512 Weis R S, Kersey A D, Berkoff T A. A four-element fiber grating sensor array with phase-sensitive detectionJ. IEEE Photon. Technol. Lett., 1994,6(12):1469147213 Koo K P, Kersey A

24、D. Bragg grating based laser sensors systems with interferometric interrogation and wavelength division multiplexingJ. J. Lightwave Technol, 1995,13:1243124914 Rao Y J, Jackson D A, Zhang L, et al. Dual-cavity interferometric wavelength-shift detection for in-fiber Bragg grating sensorsJ. Opt. Lett., 1996,21(19):1556155815 李丽，林玉池，朱永涛等. 干涉解调技术在光纤光栅传感系统中的应用J. 传感技术学报，2005，18(3)：65766216 Dong X.P.et.al. Multiwavelength erbium-doped fibre laser based on a high-fibrefringence fibre loop mirrorJ.Electron Lett.2000,31(19): 1609161017 Seunghwan Chung, Jungho Kim, Bong-A